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1、气相色谱 质谱联用技术 1 气相色谱 质谱联用仪GC MS GasChromatography MassSpetrum 2 Agilent6890 5975B气质联用仪 3 GC MS概述 一 GC MS的特点二 GC MS的系统构成三 质谱检测器MSD的组成四 GC MS仪的主要信息五 GC MS的应用 4 一 GC MS的特点 GC的分离特点 质谱的定性特点 三高 GC将待测样品进行分离直接导入质谱进行检测质谱检测离子质量 获得化合物的质谱图联用技术可以得到质量 保留时间 强度三维信息 5 气质联用数据是三维的 6 气相色谱 质谱联用 特点 要求样品气化后进入质谱仪用电子轰击方式 EI 得
2、到的谱图 可与标准谱库对比用毛细管色谱柱分离化合物 分离效率高操作条件稳定 使用方法成熟适宜分析小分子 易挥发 热稳定的化合物 7 样品分离 鉴定和定量一次完成检测限可达10 12 10 9g最成熟的一类联用技术适用于小分子 易挥发 热稳定性好样品分析 8 二 GC MS联用系统的构成 气相色谱仪接口质谱仪 离子源 质量分析器 数据处理系统 9 出口 气相色谱仪 高真空泵 接口 色谱工作站软件 电脑 离子源 质量分析器 机械泵 检测器 质谱仪 10 色谱单元 与GC基本相同GC色谱条件 色谱柱 毛细管柱温度 气化室温度 柱温 检测器温度载气 及流量 1ml min 11 GC MS对载气选择的
3、要求 必须是化学惰性的必须不干扰质谱图必须不干扰总离子流的检测应具有使载气气流中的样品富集的某种特性He 12 GC MS色谱柱的选择 柱效好惰性好热稳定性好 13 接口技术中要解决的问题 气相色谱仪的大气压工作条件和质谱仪的真空工作条件的联接和匹配 作用 把气相色谱柱流出物中的载气尽可能多地除去 保留或浓缩待测物 使近似大气压的气流转变成适合离子化装置的粗真空 并协调色谱仪和质谱仪的工作流量 14 MS为什么需要真空 提供足够的平均自由程提供无碰撞的离子轨道减少离子 分子反应减少背景干扰延长灯丝寿命消除放电增加灵敏度 15 传输线 接口 MSDGC真空度 10 5Torr760Torr 常压
4、 流速 2ml min0 5 15ml min传输线的要求 使GC和MS都达到最佳操作条件 保证被测组分可从GC传输到MS无不正常现象 无灵敏度损失 无二次反应 无峰形改变 16 常用接口 直接导入型 将毛细管色谱柱通过一根金属毛细管直接引入质谱仪的离子源 适用于小口径毛细管柱 载气限于氦气或氢气 载气流量在0 7 1 0ml min开口分流型 气相色谱柱的一段插入接口 其出口正对着限流毛细管 限流毛细管承受将近0 1MPa的压力 与质谱仪的真空泵相匹配 将色谱柱流出物的一部分定量地引入质谱仪的离子源 适合于小径或中径毛细管柱 喷射式分子分离型 浓缩型 填充柱和毛细管柱均适用 17 气相色谱检
5、测器 热导检测器TCD氢火焰离子化检测器FID电子捕获检测器ECD火焰光度检测器FPD氮磷检测器NPD质谱检测器MSD 18 GC检测器灵敏度比较 pptrillion ppb ppm ppthousand percent TCD FID ECD AED PID NPD N NPD P MSD SIM SCAN FPD S IRD ELCD ELCD SorN X 10 15 fg 10 12 pg 10 9 ng 10 6 10 3 mg 19 质谱检测器 MSD 样品被电子流轰击后产生离子这些离子按它们的质荷比m z被分离后 测量其质量数和丰度值此检测器可以通过选择适当的质量而使其专一性好
6、 选择性强 20 三 质谱检测器的组成 离子源 提供样品能量 使样品分子电离生成气态分子离子或准分子离子 分子离子还可进一步裂解 产生各种碎片离子 用70ev电子能量轰击的操作方式被称为电子电离质量分析器 将来自离子源的不同质荷比离子 离子的质量与其所带电荷的比值 m z 按空间位置或时间先后分离开的部件 单重四级杆 Q 三重四极杆 QQQ TQ 检测器 用于接收 检测和记录被分离的离子信号 高能打拿极和电子倍增器 21 质谱单元 进样系统 离子源 质量分析器 检测器 控制和数据处理系统 真空系统 22 离子源 离子源的作用是将被分析的样品分子电离成带电的离子 并使这些离子在离子光学系统的作用
7、下 会聚成有一定几何形状和一定能量的离子束 然后进入质量分析器被分离 23 离子化技术 EI 电子轰击离子源 CI 化学离子源 FAB 快原子轰击离子化 MALDI 基质辅助激光解吸离子化 FI 场致电离源 ESI 电喷雾电离源 24 EI 电子轰击离子化 电子轰击质谱示意图 25 ElectronImpactIonization 电子轰击电离 电子轰击 电子电离轰击电压50 70eV 有机分子的电离电位一般为7 15eV可提供丰富的结构信息有些化合物的分子离子不出现或很弱 26 27 优点 灵敏度高 有丰富的碎片离子信息和成熟的离子开裂理论 是结构分析 鉴定的有力手段 重现性好 有标准图谱
8、可以通过谱库检索对未知物进行结构鉴定缺点 样品须汽化后才可离子化适用化合物 易挥发 热稳定化合物 只检测正离子 不检测负离子 EI源的特点 28 化学离子化 CI 离子室内的反应气 甲烷等 10 100Pa 样品的103 105倍 受电子 100 240eV 轰击 产生离子 再与试样分离碰撞 产生准分子离子 29 如甲烷作为化学离子化反应气的电离过程 CH4 e CH4 2eCH4 CH2 H2CH4 CH3 H CH4 CH4 CH5 CH3 CH3 CH4 C2H5 H2 30 形成质子化分子离子 M H M CH5 M H CH4M C2H5 M H C2H4 31 软电离技术优点 可以
9、得到较强的准分子离子峰 有利于分子量的测定 可检测负离子 灵敏度高 缺点 样品须汽化后才可离子化适用化合物 易挥发 热稳定化合物无CI源标准谱图 CI的特点 32 四 质量分析器及质量分离原理 四极杆质量分析器三重四极杆质量分析器离子阱质量分析器 33 34 由四根截面呈双曲面的平行电极所组成 常常为圆柱形电极 离子的质量分离是在电极形成的电极场中完成的 四极电场由加在电极上的直流电压 U 和与之相叠加的射频电压 V 产生 在X方向电极上施加 U V 电压 而在y方向上施加 U V 电压 而V V0cos t 为射频频率 电极间的相对距离为2r 35 四极杆质量分析器原理 离子源中产生的不同质
10、荷比m z的离子从Z方向进入四极场 在射频电场的作用下 离子的运动方程为 36 离子的 a q值处于该三角形内时 该离子的振幅是有限的 轨迹是稳定的 可通过四极场到达检测器 离子的a q值处于稳定三角形之外 其振幅随时间增大 其轨迹是不稳定的 这些离子将与电极碰撞消失 37 选择适当的a q值 U V0值 使扫描线通过稳定区 则扫描线与稳定区二个交点之间对应的质量范围的离子可以沿Z方向到达检测器 而其他离子以不稳定振荡 与电极撞击而消失 当a q值变为另一个值时 可使另一离子通过四极场 选择离子监测SIM全扫描SCAN 保持U V0值及 不变 而改变U和V可以实现质量扫描 在给定的时间内不间断
11、地对设定的质荷比 m z 范围内的所有离子进行扫描 如果提高扫描线的斜率 则可提高质量分辨率 但灵敏度下降 如果降低扫描线的斜率 则将降低分辨率 如果在极端状态 a 0 U 0 四极杆质谱仅在射频方式 RF onlymode 下操作 则所有m z值的离子均具有稳定轨迹可通过四极区 这可用于串联质谱的碰撞室Q2 38 扫描类型 全扫描 fullscan SCAN 用于未知化合物的定性分析 SCAN方式需要设置的参数有 扫描质荷比的起点和终点 CID电压等 扫描参数的选择既要兼顾获得含尽量多的有效分子离子和碎片离子的质谱图 又要兼顾获得好的总离子流图 选择离子监测 selectedionmonit
12、oring SIM 用于定量分析 常用于目标化合物的检测和在数量众多的样品中快速筛选目标化合物 与SCAN方式相比 SIM方式能达到更低的检测限 更快的速度 更好的灵敏度和更短的分析时间 适用于定量分析 但选择SIM方式不利于定性分析 39 四极杆质量分析器 quadrupole Q M1 M2 M3 检测模式 全扫描 FullScan 选择离子检测 SIM 分辨率 低 40 单四极杆特点 四极杆质量分析器是GC MS联用仪中最通用的一种质量分析器有全扫描 Scan 和选择离监测 SIM 两种不同扫描模式扫描速度快 灵敏度高 尤其是SIM模式可在较低的真空度下工作分辨率较低 不能提供亚稳离子信
13、息结构简单 体积小 自动化程度高 41 三重四极杆质谱仪 QQQ M H Q1质量分析器 Q3质量分析器 Q2碰撞室活化室 串联质谱MS MS 低分辨 42 QQQ特点 离子 母离子 中性丢失三种扫描方式母离子找子离子获得碎片离子子离子找母离子获得前体离子中性基因相关质量的离子 确定各离子归属 研究离子的碎裂途径 用于化合物的结构分析 43 离子阱质量分析器 iontrap IT 离子注入 质量选择推出 检测模式 全扫描 FullScan 选择离子检测 SIM 分辨率 低 44 离子阱质量分析器示意图 由三个电极组成的三维四极场处在端电极中心的小孔是离子进出阱的通道 一定固有频率的射频电压施加
14、于环电极上 在环电极和端电极之间有高频电势差 形成了一个四极场 RF值是指施加在环电极和两个端电极之间的电压 依靠具不同水平的RF值的四极场 离子阱可以在一个特定的质量范围内俘获并稳定一定数量的离子 45 IT原理 与四极杆质量分析器相似 离子在离子阱中的运动也有稳定和不稳定两种情况 处于稳定区的离子 运动幅度不大 能长期存储在离子阱中 处于稳定区之外的离子 由于幅度过大 会与环电极或端电极相撞而消亡 46 质谱过程 离子被充入离子阱 通过降低施加在锥形分离器的排斥电压 让离子束通过来实现的 进入阱内的离子被施加了低于四极振幅的射频场俘获 设置好一定的积累时间 锥形分离器的排斥电压升高 以阻止
15、后续离子进入阱内 累积的离子通过与阱内浴气 He 碰撞而冷却 以确保离子云驻留于阱中心一定的空间范围内 扫描开始 四极和二级的势场增加 离子按质量增加的顺序通过出口端帽被逐出离子阱 扫描结束后 四极场降低到零以清除残留在阱内的离子 阱回到初始状态 锥形分离器设置为允许离子进入并累积的初始状态 新的循环开始 47 IT特点 时间上串联的质量分析器 只需一个离子阱质量分析器即可实现多级串联质谱 成本低 价格便宜离子阱质量分析器的灵敏度高 离子损失小 离子利用率高 离子阱质量分析器的质量范围大 48 扫描方式 可实现二次或多次质谱 MSn 分析全扫描模式SCAN 主要对未知化合物做定性分析选择离子扫
16、描模式SIM 主要应用于目标化合物检测和复杂混合物中杂质的定量分析SIM较SCAN有更高的灵敏度 峰型较好 排除干扰 提高信噪比 适合定量分析 49 四 GC MS主要信息 总流子流色谱图 TIC totalioncurrent 样品随载气进入质谱检测器中 在不同时间点得到的离子总信号的响应图 称为总离子流图 可用于了解样品的质谱全貌质谱图 MS massspecturm 一个纯粹化合物经离子化 裂解形成一系列离子的质荷比与强度的分布图 质量色谱图 提取离子流色谱图 extractedionchromatography 选择离子监测技术 SIM 谱库检索 50 总离子流色谱图 51 甲苯的EI质谱图 52 质谱峰的类型 分子离子 molecularion M 峰 分子失去一个电子生成的离子称为分子离子 通常以M 表示 分子离子形成的峰称为分子离子峰 准分子离子 qauasimolecularion 峰 软电离质谱可检测到化合物分子得到或失去某一离子而形成的离子称为准分子离子 如分子通常得到或失去一个氢离子形成的 M H M H 准分子离子 常见的准分子离子还有 M Na M K 等离子
